如何让相距50千米的两团原子,产生量子纠缠-资讯-知识分子

如何让相距50千米的两团原子,产生量子纠缠

2020/02/14
导读
迈出“量子互联网”基础设施的第一步

生活好了,人的要求也提高了。要是搁以前,“楼上楼下电灯电话”,做梦都要笑醒。


现在可不行。电影要看3D了,手机要连5G了,送快递要用无人机器了,就连厕所的马桶盖都要自带暖气了。

于是,科学家也开始对现在的量子纠缠方案,感到不满意了!


量子纠缠是一种资源

量子纠缠是啥?量子纠缠可重要了。

从理论的角度说,量子纠缠就是俩粒子不是各过各的,而是结拜兄弟,在量子层面存在很强的关联。
具体来说很复杂。你就暂时理解成,俩粒子形成量子纠缠后,只要测量其中一个,就相当于同时测量了另外一个。这俩是一个整体。

在实践的角度来说,量子力学就是一种资源。有了这个资源,你就能开展量子计算,开展量子保密通信,在未来,有可能创造巨大的社会财富。

这么好的东西,为啥科学家开始不满意了呢?


现有的量子纠缠方案,应用场景有限

科学家不是说对量子纠缠的原理不满意,而是觉得现有的远距离量子纠缠方案,可应用的范围不够大。


现有的远距离量子纠缠都是用光子实现的。光子这玩意儿大家都知道,只能以光速运动,永远也不可能停下来。


这就造成了三个问题:


一,光子跑的越远,衰减就越厉害,传输效率太低。

这就好比快递员不靠谱,你寄1000个快递,他能给你弄丢999个。

(美编:山小魈,难道你的快递也在路上被烧了?)

二,光子停不下来,它携带的量子信息也就停不下来。这就导致其中的量子信息没法在一个地方存储。这就好比你有个快递,每天在天上飞,你第二天一觉醒来都不知道上哪儿找去。


三,要想读取光子的信息,就要把光子吸收掉,这也就是进行破坏性测量。这就好比你买了个U盘,只能读一次数据,读完以后U盘就坏了,你下次还得重新买一个,天天都得叫快递。


你看,要是继续沿着原来的思路走,量子纠缠要么就是不能出村。就算出了村,运行效率也会很低。所以,科学家决定换一个思路:


如何让两个原子形成量子纠缠?

2019年12月,中国科学技术大学潘建伟、包小辉和张强,联合济南量子技术研究院、中科院上海微系统所的合作者,分别在22千米(室外)和50千米(室内)的距离上,用两种方法,让两地的原子产生了量子纠缠。他们的研究结果发表在了《Nature》(自然)杂志上。

为了说明实验原理,我们先来看看,如何让两个原本不纠缠的粒子,产生量子纠缠。这通常有两招:


第一招:让俩粒子发生相互作用


这个道理很简单。假如有一个原子,有一个光子。用光照一下原子,它们就有一定概率产生量子纠缠。研究组的第一步就是这么做的。

第二招:进行特殊测量


这个道理稍微有点儿复杂。这有点儿像,你脚底打滑摔了一跤。我可以说是你主动撞地球了,你可以说不知道咋回事,是地球主动撞你了。到底是谁主动,这是个相对的概念;你从不同的角度看,结论就会不一样。


俩粒子的关系也是一样的。你要是从一个角度看,这俩粒子没纠缠。你要是从另一个角度看,不得了了,俩粒子居然同时处于2种相互矛盾的纠缠态。

这个时候,科学家只要从纠缠的角度进行测量,就会让这俩粒子真的产生纠缠。研究组的第二步就是这么做的。



如何让相距50千米的两个原子发生量子纠缠?

所以,研究组就是通过联合使用这两招,让相距50千米的两个原子形成了量子纠缠。不过,实验的具体原理很复杂。这就相当于网上那个画马的教程,我刚说了开头怎么画,现在要踩油门,进行思维加速了,直接跳到马画好的样子了。

所以,请各位乘客抓好门把手,系好安全带。


首先,以上说的办法不能直接用。为啥?因为俩原子不在一个地,不可能直接发生相互作用,所以第一招不能直接用。俩原子不在一个地,不可能同时对他们测量,所以第二招也不能直接用。

研究组心想,这就好比俩黑帮谈判。俩大哥不在一个地,但是可以派俩小弟到一个地谈,谈完了大哥再签字承认不就完了?


所以,我们可以让俩原子派俩小弟,让这俩小弟跑到一个地接受测量。由于量子纠缠有个特性,就是俩粒子结拜兄弟了,存在很强的关联。你要是测了其中一个,就等于同时测了俩。

你要是让俩小弟跟大哥之间有纠缠,那么如果俩小弟之间形成了新的纠缠,就可以同时让俩大哥之间也形成新的纠缠。


想明白这件事,具体的实验就好办了。研究组先是用第一招,让A地和B地的两个原子,分别和两个光子形成量子纠缠。这俩光子就是小弟。


然后,研究组让俩光子来到A和B的中间,然后通过第二招,让它们形成新的量子纠缠。

于是,另外俩原子也同时被测量搞得形成新的纠缠了。


不过,这只是研究组使用的第一种方法,叫作“双光子” 方案。


在此基础上,研究组还使用了另一种“单光子”方案,并将纠缠距离延长到了50千米。这两种方案的思路是一样的,只是光子和原子纠缠的具体形式不同。在这个方案中,纠缠中的光子处于一种“既生又死”的叠加态中。 

虽然这么做会增加实验难度,但也有好处。这俩“半死不活的光子”只要有一个活着把信儿送到,纠缠就能形成。


因此,“单光子”方案的纠缠成功率更高。

于是,量子纠缠终于成功出村了!


迈出“量子互联网”基础设施的第一步

看到这儿,你可能有问题。这俩原子才距离50千米,也就是出了村刚到乡里。

其实,这里的关键在于,原子不会乱跑,是一种不动产。它可以像互联网的中继器一样,老老实实待在一个地方,收到信息就存起来,需要发送的时候再发出去,不会动不动玩消失,也不会只用一次就坏了。

这是整天乱跑的光子做不到的。

所以,这个实验相当于说,他们做出了一个能出村的1量子比特的中继器。将来要去市里、省里都好办,多弄几个量子比特,再多弄几个交换器,一个节点一个节点连过去就好了。

也许到了将来的某一天,科学家可以用类似的思路,铺设一套“量子互联网”的基础设施,让远距离、大规模、安全交换量子数据成为可能。


(美编:山小魈,创造财富不是这么来的。)

注:
1. 在这个实验中,科学家不是用一个原子携带一个量子比特,而是用1亿个原子组成一个系统,让它们来模拟一个原子。而且,这两团原子并没有相距那么远。实验里说的几十千米,其实是光子在光纤中传播的距离。研究组的下一步计划,就是要把两团原子真正分开几十千米这么远。

2. 实验中,研究人员还将光子的波长进行了“量子频率转换”,让它们变得能够以更低的损耗在光纤中传播。

3. 用原子纠缠做中继器,如果距离太远,也会发生衰减。但这种衰减是“多项式级”的,比光子纠缠的“指数级”衰减要靠谱的多。

参考文献:

1. Briegel H J, Dür W, Cirac J I, et al. Quantum repeaters: the role of imperfect local operations in quantum communication[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(26): 5932.
2. Duan L M, Lukin M D, Cirac J I, et al. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics[J]. Nature, 2001, 414(6862): 413.

3. Zhao B, Chen Z B, Chen Y A, et al. Robust creation of entanglement between remote memory qubits[J]. Physical review letters, 2007, 98(24): 240502.

4. Kimble H J. The quantum internet[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1023.
5. Yu Y, Ma F, Luo X Y, et al. Entanglement of two quantum memories via fibers over dozens of kilometres[J]. Nature, 2020.


作者:Sheldon 

绘制:Mirror、淡淡

美指:牛猫

排版:Mirror

鸣谢:于勇、包小辉、张强、徐凭


本文已发表于墨子沙龙,版权归墨子沙龙所有,“赛先生”经授权转载。

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